雷达原理(第三版) 丁鹭飞第8章.ppt

第8章运动目标检测及测速 8 1多卜勒效应及其在雷达中的应用8 2动目标显示雷达的工作原理及主要组成8 3盲速 盲相的影响及其解决途径8 4回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器8 5动目标显示雷达的工作质量及质量指标8 6动目标检测 MTD 8 7自适应动目标显示系统8 8速度测量 8 1多卜勒效应及其在雷达中的应用 8 1 1多卜勒效应 雷达发射连续波的情况这时发射信号可表示为 s t Acos 0t 式中 0为发射角频率 为初相 A为振幅 在雷达发射站处接收到由目标反射的回波信号sr t 为 8 1 1 式中 tr 2R c 为回波滞后于发射信号的时间 其中R为目标和雷达站间的距离 c为电磁波传播速度 在自由空间传播时它等于光速 k为回波的衰减系数 如果目标固定不动 则距离R为常数 回波与发射信号之间有固定相位差 0tr 2 f0 2R c 2 2R 它是电磁波往返于雷达与目标之间所产生的相位滞后 当目标与雷达站之间有相对运动时 则距离R随时间变化 设目标以匀速相对雷达站运动 则在时间t时刻 目标与雷达站间的距离R t 为 R t R0 vrt 式中 R0为t 0时的距离 vr为目标相对雷达站的径向运动速度 式 8 1 1 说明 在t时刻接收到的波形sr t 上的某点 是在t tr时刻发射的 由于通常雷达和目标间的相对运动速度vr远小于电磁波速度c 故时延tr可近似写为 8 1 1 回波信号比起发射信号来 高频相位差 是时间t的函数 在径向速度vr为常数时 产生频率差为 8 1 3 这就是多卜勒频率 它正比于相对运动的速度而反比于工作波长 当目标飞向雷达站时 多卜勒频率为正值 接收信号频率高于发射信号频率 而当目标背离雷达站飞行时 多卜勒频率为负值 接收信号频率低于发射信号频率 多卜勒频率可以直观地解释为 振荡源发射的电磁波以恒速c传播 如果接收者相对于振荡源是不动的 则他在单位时间内收到的振荡数目与振荡源发出的相同 即二者频率相等 如果振荡源与接收者之间有相对接近的运动 则接收者在单位时间内收到的振荡数目要比他不动时多一些 也就是接收频率增高 当二者作背向运动时 结果相反 2 窄带信号时的多卜勒效应 常用雷达信号为窄带信号 带宽远小于中心频率 其发射信号可以表示为 式中 Re表示取实部 u t 为调制信号的复数包络 0为发射角频率 同连续波发射时的情况相似 由目标反射的回波信号sr t 可以写成 8 1 4 当目标固定不动时 回波信号的复包络有一固定迟延 而高频则有一个固定相位差 当目标相对雷达站匀速运动时 按式 8 1 2 近似地认为其延迟时间tr为 则式 8 1 4 的回波信号表示式说明 回波信号比起发射信号来讲 复包络滞后tr 而高频相位差 0tr 2 2 R0 vrt 是时间的函数 当速度vr为常数时 t 引起的频率差为 称为多卜勒频率 即回波信号的频率比之发射频率有一个多卜勒频移 附注 下面从式 8 1 1 出发 较严格地讨论运动目标回波的特点 在t时刻收到的回波是在t tr时刻发射的 而照射到目标上的时间是t t 1 2 tr 照射时的目标距离为 8 1 5 往返R t 距离所需的时间正是目标的延迟时间tr 即 可解得结果 8 1 6 将tr代入式 8 1 1 可得运动目标回波为 8 1 7 由式 8 1 7 可以看出 运动目标回波信号的角频率变为 可化简并近似为 即信号角频率的变化值 d 2vr c 0 2 2vr 为多卜勒频移 近似后的结果 与常用的多卜勒频率表达式 8 1 3 相同 对于窄带发射信号而言 要严格地讨论运动目标回波的特点 可将式 8 1 6 代入式 8 1 4 后 得到的结果是 8 1 8 由式 8 1 8 可以讨论窄带信号时的运动目标回波的几个特点 1 由指数项 信号角频率已变为 通常总满足c vr 故角频率可作近似简化处理 得到信号角频率的变化量为 称为多卜勒频率 2 对于复数包络u t 来讲 中的因子 c vr c vr 表示信号在时间轴上的增长或压缩 根据目标运动的方向可确定其是增长还是压缩 目标和雷达站相对运动时 vr为正值 相当于波形在时间轴上压缩 而在频率轴上频谱将展宽 但在雷达的大多数应用情况下 上述复包络变化的效应可以忽略 设发射信号的时宽为 由于忽略时间轴伸缩所引起的时间误差为 当信号的带宽为 f时 上述时间误差可忽略的条件为 8 1 9 这个条件是经常满足的 例如若目标速度为10倍音速 vr 3 3 103m s 则2vr c 2 10 5 这样即使信号的时间带宽积 f为1000数量级时 不等式 8 1 9 仍能满足 以上讨论均忽略了目标加速度引起的影响 可以看出 在当前目标运动的速度范围内 运动目标回波的表达式 8 1 4 可以近似为 8 1 10 运动目标回波的主要特征是其中心频率偏移多卜勒频率 其它影响均可忽略 前面近似结果完全可以实用 回波信号产生的多卜勒频移可由发射站到目标的距离Rt加上由目标到接收站的距离Rr随时间变化求得 在单基地雷达情况下 引起多卜勒频移的是雷达和目标连线方向的径向速度vr 设目标运动方向与该连线的夹角为 目标速度为v 则径向速度分量vr为 8 1 11 8 1 2多卜勒信息的提取 已经知道 回波信号的多卜勒频移fd正比于径向速度 而反比于雷达工作波长 即 多卜勒频移的相对值正比于目标速度与光速之比 fd的正负值取决于目标运动的方向 在多数情况下 多卜勒频率处于音频范围 例如当 10cm vr 300m s时 求得fd 6kHz 而此时雷达工作频率f0 3000MHz 目标回波信号频率为fr 3000MHz 6kHz 两者相差的百分比是很小的 因此要从接收信号中提取多卜勒频率需要采用差拍的方法 即设法取出f0和fr的差值fd 1 连续波多卜勒雷达 为取出收发信号频率的差频 可以在接收机检波器输入端引入发射信号作为基准电压 在检波器输出端即可得到收发频率的差频电压 即多卜勒频率电压 这时的基准电压通常称为相参 干 电压 而完成差频比较的检波器称为相干检波器 相干检波器就是一种相位检波器 在其输入端除了加基准电压外 还有需要鉴别其差频率或相对相位的信号电压 图8 1 a c 画出了连续波多卜勒雷达的原理性组成方框图 获取多卜勒频率的差拍矢量图及各主要点的频谱图 图8 1连续波多卜勒雷达原理框图 a 组成框图 b 多卜勒频率差拍矢量 c 频谱图 发射机产生频率为f0的等幅连续波高频振荡 其中绝大部分能量从发射天线辐射到空间 很少部分能量耦合到接收机输入端作为基准电压 混合的发射信号和接收信号经过放大后 在相位检波器输出端取出其差拍电压 隔除其中直流分量 得到多卜勒频率信号送到终端指示器 对于固定目标信号 由于它和基准信号的相位差 0tr保持常数 故混合相加的合成电压幅度亦不改变 当回波信号振幅Ur远小于基准信号振幅U0时 从矢量图上可求得其合成电压为 8 1 12 包络检波器输出正比于合成信号振幅 对于固定目标 合成矢量不随时间变化 检波器输出经隔直流后无输出 而运动目标回波与基准电压的相位差随时间按多卜勒频率变化 即回波信号矢量围绕基准信号矢量端点以等角速度 d旋转 这时合成矢量的振幅为 经相位检波器取出二电压的差拍 通过隔直流电容器得到输出的多卜勒频率信号为 8 1 13 在检波器中 还可能产生多种和差组合频率 可用低通滤波器取出所需要的多卜勒频率fd送到终端指示 例如频率计 即可测得目标的径向速度值 2 脉冲工作状态时的多卜勒效应 脉冲雷达是最常用的雷达工作方式 当雷达发射脉冲信号时 和连续发射时一样 运动目标回波信号中产生一个附加的多卜勒频率分量 所不同的是目标回波仅在脉冲宽度时间内按重复周期出现 图8 2画出了利用多卜勒效应的脉冲雷达方框图及各主要点的波形图 图中所示为多卜勒频率fd小于脉冲宽度倒数的情况 图8 2利用多卜勒效应的脉冲雷达 a 原理方块图 b 主要波形图 c A显画面 对消前 图8 2利用多卜勒效应的脉冲雷达 a 原理方块图 b 主要波形图 c A显画面 对消前 图8 2利用多卜勒效应的脉冲雷达 a 原理方块图 b 主要波形图 c A显画面 对消前 和连续波雷达的工作情况相类比 发射信号按一定的脉冲宽度 和重复周期Tr工作 由连续振荡器取出的电压作为接收机相位检波器的基准电压 基准电压在每一重复周期均和发射信号有相同的起始相位 因而是相参的 相位检波器输入端所加电压有两个 连续的基准电压uk uk Uksin 0t 0 其频率和起始相位均与发射信号相同 回波信号ur ur Ursin 0 t tr 0 当雷达为脉冲工作时 回波信号是脉冲电压 只在信号来到期间即tr t tr 时才存在 其它时间只有基准电压Uk加在相位检波器上 经过检波器的输出信号为 8 1 14 式中 U0为直流分量 为连续振荡的基准电压经检波后的输出 而U0mcos 则代表检波后的信号分量 在脉冲雷达中 由于回波信号为按一定重复周期出现的脉冲 因此 U0mcos 表示相位检波器输出回波信号的包络 图8 3给出了相位检波器输出波形图 对于固定目标来讲 相位差 是常数 合成矢量的幅度不变化 检波后隔去直流分量可得到一串等幅脉冲输出 对运动目标回波而言 相位差随时间t改变 其变化情况由目标径向运动速度vr及雷达工作波长 决定 合成矢量为基准电压Uk以及回波信号相加 经检波及隔去直流分量后得到脉冲信号的包络为 8 1 15 即回波脉冲的包络调制频率为多卜勒频率 这相当于连续波工作时的取样状态 在脉冲工作状态时 回波信号按脉冲重复周期依次出现 信号出现时对多卜勒频率取样输出 脉冲工作时 相邻重复周期运动目标回波与基准电压之间的相位差是变化的 其变化量为 图8 3相位检波器输出波形 相邻重复周期延迟时间的变化量 tr 2 R c 2vrTr c是很小的数量 但当它反映到高频相位上时 0 tr就会产生很灵敏的反应 相参脉冲雷达利用了相邻重复周期回波信号与基准信号之间相位差的变化来检测运动目标回波 相位检波器将高频的相位差转化为输出信号的幅度变化 脉冲雷达工作时 单个回波脉冲的中心频率亦有相应的多卜勒频移 但在fd 1 的条件下 这是常遇到的情况 这个多卜勒频移只使相位检波器输出脉冲的顶部产生畸变 这就表明要检测出多卜勒频率需要多个脉冲信号 只有当fd 1 时 才有可能利用单个脉冲测出其多卜勒频率 对于运动目标回波 其重复周期的微小变化 Tr 2vr c Tr通常均可忽略 8 1 3盲速和频闪 当雷达处于脉冲工作状态时 将发生区别于连续工作状态的特殊问题 即盲速和频闪效应 所谓盲速 是指目标虽然有一定的径向速度vr 但若其回波信号经过相位检波器后 输出为一串等幅脉冲 与固定目标的回波相同 此时的目标运动速度称为盲速 而频闪效应则是当脉冲工作状态时 相位检波器输出端回波脉冲串的包络调制频率Fd 与目标运动的径向速度vr不再保持正比关系 此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊 产生盲速和频闪效应的基本原因在于 脉冲工作状态是对连续发射的取样 取样后的波形和频谱均将发生变化 下面将予以讨论 由式 8 1 10 知 当雷达信号为窄带信号时 运动目标的雷达回波sr t 为 sr t Re ku t tr exp j 0 d t t0 式中 tr为复包络迟延 而fd为高频的多卜勒频移 当雷达处于脉冲工作状态时 简单脉冲波形时的复调制函数u t 可写成 式中 rect表示矩形函数 为脉冲宽度 Tr为脉冲重复周期 u t 的频谱U f 是一串间隔fr 1 Tr的谱线 谱线的包络取决于脉冲宽度 的值 运动目标的回波信号是u t tr 和具有多卜勒频移的连续振荡相乘 因而其频谱是两者的卷积 如图8 4 b 所示 相当于把U f 的频谱中心分别搬移到f0 fd和 f0 fd 的位置上 相位检波器的输入端加有频率为f0的相参电压和回波信号电压 在其输出端得到两个电压的差频 如图8 4 d 所示 其谱线的位置在nfr fd处 n 0 1 2 谱线的包络与U f 相同 由图8 4的频谱图可以看出脉冲信号产生 盲速 的原因 固定目标时 fd 0 其回波的频谱结构与发射信号相同 是由f0和f0 nfr的谱线所组成 对于运动目标回波 谱线中心移动fd 故其频谱由f0 fd f0 fd nfr的谱线组成 经过相位检波器后 得到fd及nfr fd的差频 其波形为多卜勒频率fd调幅的一串脉冲 当fd nfr时 运动目标回波的谱线由nfr所组成 频谱结构与固定目标回波的相同 这时无法区分运动目标与固定目标 从图8 4的频谱图上也可以分析产生频闪的原因 当多卜勒频率fd超过重复频率fr的一半时 频率nfr的上边频分量nfr fd与频率 n 1 fr的下边频分量 n 1 fr fd在谱线排列的前后位置上交叉 两个不同的多卜勒频率fd1和fd2 只要满足fd1 nfr fd2 则二者的谱线位置相同而无法区分 同样 当fd1 nfr fd2时 二者的频谱结构相同也是显而易见的 因此 在相参脉冲雷达中 如果要用相位检波器输出脉冲的包络频率来单值地测定目标的速度 必须满足的条件是 8 1 16 图8 4脉冲工作时各主要点信号频谱 发射信号频谱 b 接收信号频谱 c 相参电压谱 d 相位检波输出谱 盲速和频闪效应也可以从矢量图和相对应的波形图加以说明 从矢量图8 5 a 可以看出 相邻周期运动目标的回波和基准电压之间相位差的变化量为 dTr 根据 的变化规律即可得到一串振幅变化的视频脉冲 当 2 时 虽然目标是运动的 但相邻周期回波与基准电压间的相对位置不变 其效果正如目标是不运动的一样 这就是盲速 可求得盲速与雷达参数的关系 当 2n 即 dTr 2n n 1 2 3 时 会产生盲速 这时 fdTr n或fd nfr 因fd 2vr 所以盲速 盲速的出现是因为取样系统的观察是间断而不是连续的 在连续系统中 多卜勒频率总是正比于目标运动的速度而没有模糊 但在脉冲工作时 相位检波器输出端的回波脉冲包络频率只在多卜勒频率较脉冲重复频率低时 fd 1 2fr 才能代表目标的多卜勒频率 在盲速时 即在重复周期内 目标走过的距离正好是发射高频振荡半波长的整数倍 由此引起的高频相位差正好是2 的整数倍 关于频闪效应 可从图8 5 b 的矢量图上看出 当相邻重复周期回波信号的相位差 2n 时 在相位检波器输出端的结果与 时是相同的 差别仅为矢量的视在旋转方向相反 因此上述二种情况下 脉冲信号的包络调制频率相同 相位差 2n 时 其相位检波器输入端合成矢量与 完全一样 因而其输出脉冲串的调制频率亦相同 当 0时表现为盲速现象 一般情况下 0 表现为频闪现象 这时相位检波器输出脉冲包络调制频率与回波信号的多卜勒频率不相等 包络调制频率随着多卜勒频率的增加按雷达工作的重复频率周期性地变化 包络调制频率的最大值产生在 2n 时 相应的多卜勒频率为nfr 1 2 fr 而这时的包络调制频率Fd fr 2 只有当fd fr 2时 包络调制频率和多卜勒频率才相等 图8 5 c 中画出了脉冲包络调制频率Fd变化规律曲线 它随着多卜勒频率的增加而周期性变化 这就是频闪效应 当fd nfr时 包络调制频率Fd 0 这就是盲速 图8 5用矢量和波形图说明盲速和频闪 a 盲速说明 b 频闪说明 c Fa的变化规律 图8 6高速目标 fd 1 的多卜勒效应 a 波形 b 频谱 8 2动目标显示雷达的工作原理及主要组成 8 2 1基本工作原理 从上节分析可看出 当脉冲雷达利用多卜勒效应来鉴别运动目标回波和固定目标回波时 与普通脉冲雷达的差别是必须在相位检波器的输入端加上基准电压 或称相参电压 该电压应和发射信号频率相参并保存发射信号的初相 且在整个接收信号期间连续存在 工程上 基准电压的频率常适在中频 这个基准电压是相位检波器的相位基准 各种回波信号均与基准电压比较相位 从相位检波器输出的视频脉冲 有固定目标的等幅脉冲串和运动目标的调幅脉冲串 通常在送到终端 显示器或数据处理系统 去之前要将固定杂波消去 故要采用相消设备或杂波滤波器 滤去杂波干扰而保存运动目标信息 8 2 2获得相参振荡电压的方法 1 中频全相参 干 动目标显示 当雷达发射机采用主振放大器时 每次发射脉冲的初相由连续振荡的主振源控制 发射信号是全相参的 即发射高频脉冲 本振电压 相参电压之间均有确定的相位关系 相位检波通常是在中频上进行的 因为在超外差接收机中 信号的放大主要依靠中频放大器 在中频进行相位检波 仍能保持和高频相位检波相同的相位关系 图8 7中频全相参 干 动目标显示雷达方框图 如图8 7所示 主振源连续振荡的信号为U0cos 0t 0 它控制发射信号的频率和相位 中频相参振荡器的输出为Uccos ct c 本振信号取主振源连续振荡信号和相参源的和频 即 8 2 1 回波信号为Urcos 0 t tr 0 对于固定目标 tr为常数 而对于运动目标 tr在每个重复周期均发生变化 回波信号与本振混频后取出中频信号 对于运动目标的回波 二者相位差按多卜勒频率变化 2 锁相相参动目标显示 当雷达发射机采用自激振荡器 如磁控管振荡器 时 它的每一发射脉冲高频起始相位是随机的 因此 为了得到与发射脉冲起始相位保持严格关系的基准电压 应该采用锁相的办法 也就是使振荡电压的起始相位受外加电压相位的控制 原则上有两种锁相的办法 一种是将发射机输出的高频电压加到相参振荡器去锁相 另一种是将连续振荡的相参电压加到发射机振荡器去 以控制发射脉冲的起始相位 后一种方法要求较大的控制功率 因而在实际中用得较少 图8 8中频锁相的脉冲相参雷达方框图 直接用发射机输出在高频进行锁相存在着实际困难 因为容易实现锁相和高频率稳定度两个要求对锁相振荡器的实现是互相矛盾的 如果允许的频偏量 f相同 f的值影响动目标显示的工作质量 则锁相相参振荡器工作在中频时对频率稳定度 f fc的要求将明显降低 加之超外差接收通常在中频进行主要放大 并将中频信号送到相位检波器 因此 典型动目标显示的相参振荡器均工作于中频 在中频上实现锁相 其组成方框图如图8 8所示 锁相电压直接由发射机取出 避免了收发开关可能带来的干扰 以保证锁相质量 高频锁相电压与回波信号用同一本振电压混频 然后将混频所得的中频锁相电压加到相参振荡器输入端 用这个锁相电压锁定的中频相参振荡器电压可以作为相位检波器的基准电压 发射信号和本振信号的随机初相在比较相位时均可以消去 中频锁相时 各点电压及其相位关系为 本地振荡器 8 2 2 发射机输出 8 2 3 当0 t 时存在 式中 l及 0 为初相 通常是随机量 经混频后取其差频作为锁相电压 8 2 4 相参振荡器的初相在每一重复周期均由中频锁相电压决定 而在整个接收回波时间内也连续存在 作为相参接收的相位基准 这时 目标回波信号为 8 2 5 这里忽略了目标反射引起的相移 ur只当tr t tr 时存在 经混频后得到中频信号 在相位检波器中 回波信号ur 与基准电压比较相位时 初相 l 0 可以消去 两者的相位差只决定于 0tr 当目标运动时 相邻重复周期的相位差按多卜勒频率变化 对磁控管发射机的雷达 如果后面用数字信号处理 则接收相参可用图8 9所示的方式 将发射信号的随机相位 t测量出来 并和送到数字对消器前的接收信号相位 r相减 消去发射信号随机相位的影响而获得等效的接收相参 发射信号经稳定本振混频后获得中频发射脉冲 而后以相参振荡器 COHO 的电压为基准 在正交相位检波器中相参检波 获得I与Q两路基带输出 t的信息包含在基带输出中 t arctanQ I 如果A D变换器的精度足够 则这种方式的接收相参所能得到的对消结果将优于通常所用的锁相相参振荡器 这是因为连续工作的相参振荡器 其频率稳定性比每次发射脉冲均要被锁相而处于启断工作状态的相参振荡器要好得多 图8 9相位存储式接收相参MTI 8 2 3消除固定目标回波 1 相消设备特性 由相位检波器输出的脉冲包络为 u U0cos 式中 为回波与基准电压之间的相位差 回波信号按重复周期Tr出现 将回波信号延迟一周期后 其包络为 u U0cos d t Tr 0 8 2 6 相消器的输出为两者相减 8 2 7 输出包络为一多卜勒频率的正弦信号 其振幅为 也是多卜勒频率的函数 当 dTr 2 n n 1 2 3 时 输出振幅为零 这时的目标速度正相当于盲速 此时 运动目标回波在相位检波器的输出端与固定目标回波相同 因而经相消设备后输出为零 如图8 10所示 图8 10迟延相消设备及其输出响应 a 组成框图 b 速度响应 c 频率响应特性 相消设备也可以从频率域滤波器的观点来说明 而且为了得到更好的杂波抑制性能 常从频率域设计较好的滤波器来达到 下面求出相消设备的频率响应特性 输出为 网络的频率响应特性为 8 2 8 其频率响应特性如图8 10 c 所示 相消设备等效于一个梳齿形滤波器 其频率特性在f nfr各点均为零 固定目标频谱的特点是 谱线位于nfr点上 因而在理想情况下 通过相消器这样的梳齿滤波器后输出为零 当目标的多卜勒频率为重复频率整数倍时 其频谱结构也有相同的特点 故通过上述梳状滤波器后无输出 2 数字式相消器 近20年来 随着大规模超大规模集成电路 LSI VLSI 的迅猛发展 已经完全可以用数字技术来实现信号的存储 迟延和各种实时运算 用数字迟延线代替模拟迟延线是数字动目标显示 DMTI 的基本点 采用数字式对消器具有许多优点 它稳定可靠 平时不需要调整 便于维护使用 且体积小 重量轻 此外 数字式对消器还具有一些特点 容易得到长的延时 因而便于实现多脉冲对消 以改善滤波器频率特性 容易实现重复周期的参差跳变 以消除盲速并改善速度响应特性 容易和其它数字式信号处理设备 如数字式信号积累器等 配合 以提高雷达性能 动态范围可做得较大 总之 它可以实现更为完善和灵活的信号处理功能 数字式相消器的简单组成如图8 11所示 作为模拟和数字信号的接口 首先要把从相位检波器输出的模拟信号变为数字信号 模拟信号变为数字信号要经过时间取样和幅度分层两步 以时钟脉冲控制取样保持电路对输入相参视频信号取样 被时间量化的取样保持信号送到模数转换电路 A D变换器 进行幅度分层 转为数字信号输出 数字信号的迟延可用存储器完成 将数字信号按取样顺序写入存储器内 当下一个重复周期的数字信号到来时 由存储器中读出同一距离单元的信号进行相减运算 在输出端得到跨周期相消的数字信号 这个数字信号可以很方便地用来作其它数字处理 例如积累 恒虚警等 如果需要模拟信号作显示 则可将数字信号经过数模转换器 变为模拟信号输出 图8 11数字式相消器简单组成方框 模拟信号转换为数字信号时 取样间隔和量化位数这两个参数的选择必须慎重 取样定理证明 如果取样信号要保留原信号的全部信息 取样间隔 T应小于信号有效带宽倒数的一半 即取样频率1 T大于信号带宽的2倍 每一个雷达杂波的回波为许多反射单元的回波矢量和 其功率谱与单个发射脉冲谱的形状相类似 单个目标雷达回波的有效带宽通常以其脉冲宽度的倒数表示 所以取样间隔应小于脉冲宽度的一半 即在一个脉冲宽度以内取样两次以上 取样次数增多虽可提高取样信号的质量 但实现起来所用设备量将增加 在雷达信号的量化过程中 有时在一个脉冲宽度内只取样一次 这样可以简化设备 它所引起的信杂比损耗约为1 5dB 量化位数 模数转换位数 的选取 主要取决于量化噪声的影响 模数转换首先将模拟信号量化分层 如数字位数为N 则将输入动态范围 设从 Em到 Em 分成2N 1层 幅度量化间隔为 将幅度连续变化的取样保持信号量化为离散的分层数字信号 二者之间当然会有差别 这个差别称为量化噪声 分层时 连续的取样保持信号和量化的标准电平相比较 以二分层的中线为界 超过中线的归于上层 低于中线的归于下层 这样一来 量化噪声限制在 2 2 的区间内 且在一般情况下 在该区间内量化噪声分布的概率密度为均匀分布 则可算出量化噪声的方差 2为 8 2 9 输入的模拟信号包括目标回波 杂波和噪声 经过幅度分层量化以后 将增加一部分量化噪声 量化后总噪声的均方值 2可以认为是原噪声均方值 2n和量化噪声均方值 2 之和 则由于量化引起的信噪比损失 量化损耗 为 8 2 10 8 3盲速 盲相的影响及其解决途径 8 3 1盲速 1 盲速以及消除盲速影响的方法 正如8 1节所述 盲速在相邻两周期运动目标回波的相位差为2 的整数倍 即 8 3 1 时发生 这时fd0 nfr或vr0 n 2 fr n 1时为第一盲速 表示在重复周期Tr内目标所走过的距离为半个波长 由于处于 盲速 上的运动目标 其回波的频谱结构和固定杂波相同 经过对消器将被消除 因此 动目标显示雷达在检测 盲速 范围内的运动目标时 将会产生丢失或极大降低其检测能力 这时依靠复杂目标反射谱中的其他频率分量 如果要可靠地发现目标 应保证第一盲速大于可能出现的目标最大速度 但在均匀重复周期时 盲速和工作波长 以及重复频率fr的关系是确定的 这两个参数的选择还受到其他因素的限制 以3cm雷达为例 如果最大测距范围为30km 则其重复频率fr应小于5kHz 由这个参数决定的第一盲速值vr01 2 fr 75m s 这个速度远低于目前超音速目标的速度 也就是说 如果不采取措施 在目标运动的速度范围内 将多次碰到各个盲速点而发生丢失目标的危险 事实上 最大不模糊距离和重复频率fr的关系为 如第一盲速点vr0 1 2 fr 则最大不模糊距离R0max和第一盲速vr0 的关系为R0maxvr0 c 4 当工作波长 选定后 两者的乘积为一常数 不能任意选定 通常在地面雷达中 常选择其重复频率fr使之满足最大作用距离的要求 保证测距无模糊 而另外设法解决盲速问题 解决盲速问题在原理上并不困难 因为在产生 盲速 时 满足vrTr1 n 2 如果这时将重复周期略为改变而成为Tr2 则vrTr2 n 2 不再满足 盲速 的条件 动目标显示雷达就能检测到这一类目标 因此 当雷达工作时 采用两个以上不同重复频率交替工作 称为参差重复频率 就可以改善 盲速 对动目标显示雷达的影响 2 参差重复频率对动目标显示性能的影响 设雷达采用两种脉冲重复频率fr1和fr2交替工作 而fr1和fr2均满足最大不模糊测距的要求 则在一次对消器的输出端其响应分别为2u sin fdTr1 和2u sin fdTr2 只有在两种重复频率上均出现盲速而输出为零时 才等效于参差后的 盲速 vr0 它所对应的多卜勒频率为fd0 这时要满足 式中 n1 n2为整数 所以 如果选择Tr1 a T Tr2 b 且a b互为质数 则合成第一盲速点产生于n1 a n2 b点处 可以作出比较 当不采用参差重复频率时 其平均重复周期Tr Tr1 Tr2 2 这时第一盲速值和其相应的多卜勒频率值fd0为 采用参差后 第一盲速对应的多卜勒频率值为 8 3 2 这时 可求得采用参差频率后 第一等效 盲速 提高的倍数为 8 3 3 当采用N个参差重复频率 且其重复周期的比值为互质数 a1 a2 a3 aN 时 第一等效 盲速 提高的倍数为 8 3 4 在实际工作中 不仅要求第一等效盲速值要尽可能覆盖目标可能出现的速度范围 而且要求在该速度范围内响应曲线比较平坦 这两个要求实现起来常有矛盾 需要选择合适的参差数和最佳的参差比来解决 以两个重复频率参差的情况来说 盲速提高倍数愈多 则合成曲线愈不平坦 特别是第一凹点深度愈大 这是不希望的 改进的办法是采用三个以上重复频率的参差及好的参差比来得到较好的速度响应特性 图8 12画出了几种不同情况下的速度响应 横坐标为归一化的速度响应vr vr0 k表示合成盲速比原盲速增大的倍数 参差比不同时 k的值是不同的 在8 12 a 图中 当Tr1 Tr2 2 3时 盲速提高为原来的2 5倍 而当Tr1 Tr2 7 8时 盲速提高为原来的7 5倍 但在原来第一盲速处输出较小 速度响应不平坦 图8 12 b 是三参差周期 其比值为31 32 33的速度响应 可以看出 三参差可较二参差获得较平坦的响应曲线 如果选用合适参差比的四参差时 其速度响应将更为平坦 图8 12参差周期时的速度响应曲线 a 二参差 b 三参差 图8 13参差PRI时的MTI滤波器 滤波器组成原理图如图8 13所示 滤波器对N 1个重复周期的信号进行滤波处理 在参差重复周期时 ti ti 1 Ti i 1 2 N 1 各不相等 其输出 式中 下标k表示距离单元数 wn为权值 滤波器的频率响应Y f 可求得为 式中 速度响应主要取决于参差比值的选择 与权值wi也有一些关系 在等重复周期条件下 多级对消器串接时 其权值服从二项式 采用参差重复频率不仅可以较好地解决盲速问题 使第一合成盲速大于最大目标速度 而且可以改变参差数及其比值的办法来获得不同的速度响应 等效MTI滤波器响应 但采用参差重复频率后也存在一些相应的问题 1 不能消除远区杂波的二次回波 因为参差周期时它们在脉冲间不处于同一距离单元上 2 参差周期时要做好高稳定度的发射机更加困难 3 由于参差而使雷达的改善因子受到限制 从频域上分析是因为参差后杂波将在MTI通带内产生分量而不能滤去 用直观的时域处理来观察 可看到 当等重复周期对信号均匀取样时 双迟延线对消器能完全抵消输入的线性波形u t c at 不论a值的选取 三迟延对消器可对消含有时间平方项的波形u t c at bt2 而当重复周期参差时 如果用二项式加权系数 双迟延线对消器对线性波形处理 将产生输出剩余 剩余量正比于斜率a和 r 1 r为周期比 若扫描雷达工作时 波束内的脉冲数为n 则经过大量仿真计算后可得到参差引起的改善因子限制值I 可近似表示为 8 3 6 图8 14参差后的时变加权 a 脉冲串 b 双迟延对消 c 三迟延对消 在间隔TN 当回波由发射脉冲PN产生时 双迟延对消器的权值为 A 1 C TN 2 TN 1 B 1 C 而三延迟线对消器的权值则为 采用时变加权值后对MTI滤波器的速度响应无明显影响 当系统是动目标检测 MTD 处理时 在杂波滤波之后还有滤波器组处理 则在组处理的多个脉冲期间 重复周期不能改变 这时只有采取 组参差 的办法来解决盲速问题 组参差 时不会产生脉间参差的问题 但也得不到那样好的速度响应 8 3 2盲相 1 点盲相和连续盲相 相位检波器输出经一次对消器后 运动目标回波 u已由式 8 2 7 得到 u u u 2U0sin fdTr sin dt fdTr 0 输出的振幅值大小为 2U0sin fdTr 与多卜勒频率有关 其输出的振幅受多卜勒频率调制 在某些点上 输出幅度为零 这些点称为盲相 它由相位检波器的特性 见图8 15 a 决定 从相检特性上看 如果相邻两个回波脉冲的相位相当于相检特性的a c二点 其相位差虽不同 但却是一对相检器输出相等的工作点 因此经过相消器后 其输出为零而出现点盲相 图8 15相检特性和相消器输出脉冲波形 a 相检特性 b 相消器输出脉冲波形 图8 16用矢量图说明相位检波器和相消器输出 a 动目标单独存在时 b 动目标与固定目标叠加 c 动目标叠加在强杂波上 2 中频对消 矢量对消器之一 从相位检波器的讨论中可看出 相位检波器的输出是回波矢量在基准电压方向的投影 而一次对消器的输出又相当于相邻重复周期信号差矢量在该方向的投影 当差矢量的方向与基准电压方向垂直时 则输出为零 这时就是盲相 如果能在信号处理中 直接取出反射回波的差矢量 则避免了盲相和回波振幅的多卜勒调制 在检波前直接用中频对消 可以取出反射回波的差矢量 对于相参中频信号 相邻重复周期的运动目标回波可以分别写为 式中 i为中频频率 0 为初相 d为多卜勒频率 2 fdTr是相邻周期由于目标运动所引起的回波相位差的变化 相邻重复周期的中频信号相减 得到中频对消输出为 8 3 7 式中 即中频对消器的输出也是一个中频电压 其振幅为 8 3 8 是多卜勒频率的函数 为了保证中频对消器能消除零速的固定杂波 理论上应满足fiTr n 即中频fi nfr 是重复频率的整数倍 中频对消器输出中频信号的振幅为sin fdTr 当fdTr n时 输出也为零 这就是盲速 这时多卜勒频率等于脉冲重复频率的整数倍 盲速是由于脉冲取样工作方式引起的 采用中频对消方式不能解决 只有用高重复频率或参差重复频率才能在一定范围内解决盲速的影响 图8 17双迟延对消的中频对消器 用中频延迟线和相减器组成的中频对消器如图8 17所示 因为实际上不可能将中频延迟线的延迟长度准确地做成中频周期的整数倍 在线路上就必须对延迟误差进行补偿 补偿好的标准是输出杂波为零 补偿的办法如图8 17所示 在有强杂波的一段距离内 例如0 5km 将相位检波器的输出加以取样 设杂波的多卜勒频率 dc 0 则杂波输出为零的条件为fiTr n 由于迟延线迟延时间不准确而为Tr 因而补偿延迟误差的办法是使信号的中心频率fi改变为fi fi fi而满足以下关系 3 正交双通道处理 零中频处理 图8 18正交双通道处理 a 原理框图 b 矢量 零中频处理的原理和优点讨论如下 任一中频实信号s t 可以表示为 s t a t cos it t 8 3 9 其中 a t 和 t 分别为信号的振幅和相位调制函数 通常均用窄带信号 因此a t 和 t 与 i相比 均是时间的慢变函数 信号可以用复数表示为 式中 u t a t ej t 称为复调制函数 它包含了信号s t 中的全部信息 即振幅调制和相位调制函数 以 t dt为例来看 复调制函数u t a t ej dt表示中频信号附加的多卜勒频率为正值 可以从复调制函数的实部和虚部的相互关系中 判断频率的正负值 相位检波器是将中频信号s t 与相参电压差拍比较 它的工作原理与混频相同 相参电压类似于混频时的 本振 电压 通常都选取相参振荡的频率和信号中频相同 因此 相位检波器输出的差拍为零 称之为 零中频 或 基频 信号 相位检波器虽然可以保留中频信号的相位信息 但是只用单路相位检波器时 将原中频信号在正频率轴与负频率轴上的频谱 全部移到零频率的位置上 从而产生了频谱折叠 如图8 4和图8 19所示 这时已不能保留复调制函数u t 的全部信息 单路相位检波器完成的作用是将信号s t 与基准电压cos it相乘 经低通滤波器后 取出前项缓变的低频分量为 8 3 11 例如 当u t a t ej dt时 1 4 u t u t 1 2 a t cos dt 是按多卜勒频率变化的信号 但已不能区分频率的正负值 单路相位检波所得 u t u t 由于产生频谱折叠 复数谱正负频率对称从而失去了复调制函数u t 的某些特征 图8 19单路和正交双路处理的频谱 要得到中频信号s t 的全部信息 应能保证把复调制函数u t 单独取出来 这时的基本运算是信号s t 乘以复函数e j it 即得 8 3 12 信号s t 和复函数e j it相乘为 而 u t a t cos t ja t sin t 这就要求正交双通道处理 一支路和基准电压cos it进行相位检波 称为同相支路I 另一路和基准电压sin it进行相位检波 得到正交支路Q sin it由cos it移相90 得来 故输出值分别为a t cos t 和a t sin t 如果要取振幅函数a t 中频矢量值 则同相和正交支路取平方和再开方 如果要判断相位调制函数的正负值 则需比较I Q两支路的相对值来判断 正交支路的输出也可以重新恢复为中频信号 如下所示 即将零中频的I Q分量分别与正交中频分量相重后组合即可 8 4回波和杂波的频谱及动目标显示滤波器 8 4 1目标回波和杂波的频谱特性 1 目标回波的频谱特性 雷达发射相参脉冲串 其脉冲宽度为 脉冲重复频率为fr 当天线不扫描而对准目标时 所得脉冲为无限脉冲串 调制信号ui t 及其频谱U1 f 分别为 E为信号振幅 而高频连续振荡u2 t 及其频谱U2 f 为 发射的相参脉冲串u t u2 t u1 t 故其频谱U f 为 式中 表示卷积 相参发射脉冲的频谱是将U1 f 搬到 f0的位置上 雷达发射信号常用的是窄带信号 故运动目标回波频谱的特征是将发射信号频谱位置在频率轴上平移一个多卜勒频率fd 2vr fd的符号由目标运动的方向来决定 雷达工作时 天线总是以各种方式进行扫描 这时收到的回波脉冲为有限数 且其振幅受天线方向图调制 设天线方向图可用高斯函数来表示 则收到回波脉冲串的包络函数可写为 8 4 1 式中 是和天线波瓣宽度及扫描速度均有关的参数 减小 表示观察的时间增加 天线扫描时所收到的回波信号 可以用m t 和无限脉冲串ur t 的乘积表示 ur t 为天线不扫描时的回波脉冲串 即 um t m t ur t 8 4 2 而包络函数m t 的频谱可求得为 8 4 3 扫描时回波信号的频谱Um f 可用下式表示 即无限回波脉冲串频谱Ur f 的每一根谱线均按M f 的形状展宽 如图8 20 b c 所示 谱线展宽的程度反比于天线波束照射目标的时间T 已求出当天线方向图为高斯形时谱线展宽的均方值为 8 4 4 图8 20天线扫描条件下的回波信号谱 回波脉冲串包络函数与频谱 b c 天线扫描时收到的回波及频谱 d 回波视频频谱 2 杂波频谱 雷达工作时可能碰到的杂波 包括地物 海浪 云雨及敌人施放的金属箔等 除了孤立的建筑物等可认为是固定点目标外 大多数杂波均属于分布杂波且包含内部运动 在上面讨论信号频谱时已包括对固定点杂波的频谱的讨论 当天线不扫描时 固定杂波的频谱是位于nfr n 0 1 2 位置上的谱线 用对消器可以全部滤去 当天线扫描时 由于回波脉冲数有限 将引起谱线的展宽 由于天线扫描而引起双程天线方向图对回波信号的调幅 这时 杂波谱展宽可用高斯函数表示为 见 8 4 3 式 其中 s 0 265fr n n为在单程天线方向图三分贝宽度内的脉冲数 设T 为天线照射目标的等效时间 则n T fr 即 s 0 265 T 亦即 s与目标照射时间成反比 大多数分布杂波的回波性质比较复杂 在雷达的分辨单元内 雷达所收到的回波是大量独立单元反射的合成 它们之间具有相对的运动 其合成回波具有随机的性质 且由于杂波内部的运动 各反射单元所反射的多卜勒频率值不同 这就引起回波谱的展宽 图8 21是典型杂波功率谱的一个例子 这些数据适用频率为1000MHz 实验测定的杂波功率谱可以用下式近似表示 8 4 5 式中 W f 为杂波功率谱 f0为雷达工作频率 a为和杂波有关的参数 图中曲线 1 密林小山 风速为200海里每小时 a 2 3 1017 2 稀少的小树无风日 a 3 9 1019 3 海浪回波 有风 a 1 41 1016 4 云雨 a 2 8 1015 5 锡箔片 a 1 1016 图8 21各种典型杂波功率谱 杂波频谱也可以用杂波频率散布的均方根值 c Hz 或速度散布的均方根值 v m s 来表示 即 8 4 6 与式 8 4 5 比较后可知 W0 g0 2 a c2 8 2v 2c称为杂波功率谱方差 而 c 2 v v的量纲与速度的相同 v的值只和杂波内部起伏运动的程度有关 而和工作波长无关 因而 c是描述杂波内部运动较好的方法 表8 1杂波频谱的标准偏差 v 雷达设备的不稳定也会使杂波功率谱展宽 例如振荡器频率不稳将使固定目标回波展宽 多种因素影响杂波谱的展宽 如果各项因素是互不相关的 则杂波功率谱总的展宽可以用功率谱方差 2 表示 综上所述 当杂波平均速度为零而只有内部起伏时 杂波的频谱位置在nfr上 但每一根谱均展宽 如果杂波还有平均定向速度 则其频谱的位置将产生相应的多卜勒频移 由于杂波谱线的展宽 简单的一次对消滤波器将不能很好地滤去杂波 需要进一步改进滤波器的特性 特别是杂波具有多卜勒频移时 滤波器的凹口还应对准杂波谱的平均多卜勒频率位置才能收到预期结果 杂波谱的展宽将明显地影响动目标显示系统的质量 因为滤波器不仅要滤去杂波谱 还应保证运动目标回波在尽可能大的速度范围内均有大的输出 因而滤波器的凹口又不能做得很宽 8 4 2动目标显示滤波器 杂波功率谱C f 可以分为两部分 其中 N0为均匀分量的功率谱密度 它取决于系统的稳定性 稳定性越高 N0越小 C1 f 是由杂波特性 包括天线扫描和杂波内部起伏 决定的梳状分量 天线扫过目标时收到的回波脉冲数越少 杂波内部起伏越大 则梳状谱的宽度就越宽 图8 22地杂波的功率谱 根据最佳滤波理论 当杂波功率谱C f 和信号频谱S f 已知时 最佳滤波器的频率响应是 8 4 7 式中 S f 是S f 的共轭函数 ts是使滤波器能够实现而附加的迟延时间 式 8 4 7 的滤波器可分成两个级联的滤波器H1 f 和H2 f 其传递函数形式为 8 4 8 8 4 9 粗略地认为 其中H1 f 用来抑制杂波 H2 f 用来对脉冲串信号匹配 1 一次相消器 图8 10所示的相消器就是一次相消器 当用Z变换进行分析时 可将它画成图8 23 a 的形式 迟延时间是T的迟延线传输函数为e sT z 1 故图8 23 a 的传输函数为 8 4 10 它是一个单零点系统 零点的位置在z 1 令s j 即z ej T在 Z平面上是单位圆 在Z平面上沿单位圆转动 就可以得到该离散系统的频率特性 对于上述一次对消器 其频率特性即为对应于单位圆周上各点到零点 z 1 的长度 根据z ej T的关系可以看出 当频率f从零变到1 T时 幅角 T从零变化到2 沿单位圆转了一周 当频率从1 T变化到2 T时 幅角 T沿单位圆重复转一周 由此可见 时间离散系统的频率响应是以1 T为周期的重复函数 滤波器频率响应可用如下表示式 z ej T 代入其传输函数H z 求得 8 4 11 如果将一次相消滤波器加一条反馈支路 如图8 23 b 所示 就可以改变滤波器的频率特性 通常把有反馈支路的滤波器称为递归型滤波器 相应地 把无反馈支路的滤波器称为非递归型 图8 23 b 中递归型一次相消滤波器的传递函数通过下面的关系式可求得 W z X z K1W z z 1 Y z W z W z z 1 整理后得 8 4 12 上式表明 增加反馈支路的结果是在Z平面里引入一个新的极点z K1 K1 1 图8 23单次对消MTI滤波器 a 一次相消滤波器 b 加反馈支路的一次相消 滤波器的频率响应为单位圆上的点到零点的长度被该点到极点的长度去除 从图可以看出 如果K1接近于1 则极点和零点十分接近 在单位圆上的各点 相当于不同频率 除了靠近零点的一小段外 上述两个长度近似相等 二者相除近似为常数 即频率响应很平坦 在零点附近的一小段 靠极点也很近 因此两个长度相除后较之只有零点时的频率响应值加大 而使滤波器抑制杂波的凹口变窄 K1越接近于1 滤波器频率响应的平坦范围就越宽 但抑制杂波的凹口也越窄 在简单的动目标显示雷达 MTI 中 利用这种方法来扩大速度响应范围 2 二次相消器 图8 24为非递归二次相消器的组成及频率响应 由组成方框图可求得其传输函数为 滤波器具有两个零点 即 当K 2时 H z 1 z 1 2 它等效于两个一次相消器串接在z 1处 有双重零点 当K的数值在